서 론

우리나라의 선망어업 허가 (수산업법 시행령, 2015) 는 참치를 주로 어획하는 원양선망, 고등어를 주로 어획 하는 대형선망, 멸치를 주로 어획하는 소형선망과 연안 선망으로 구분되며, 대형선망어업과 소형선망은 근해어 업으로 분류된다. 또한 각 허가에 따라 사용가능한 최소 크기의 그물코에 대한 규정이 법으로 정해져 있다.

정부는 이들 선망어업 중 대형선망을 현대화하기 위 해 어선현대화 사업 대상으로 선정하여, 현대화된 선망 어선을 설계하고 시험선을 건조하는 연구가 진행되고 있다. 본 논문은 대형선망어선의 현대화 연구와 함께 이 어업에서 사용하는 어구에 대한 개선을 위해 수행하 고 있는 선망어구 개선연구 중 현재 사용하고 있는 선망 어구의 특성을 분석하는 연구 중 일부분이다.

선망어업은 트롤어업과 함께 가장 개발되고 발달된 어업이기 때문에 그 중요성에 맞게 어구와 어법에 대해 연구가 많이 수행되었고 해역별, 목표어종별로 정리된 관련 문헌도 쉽게 찾을 수 있다. 특히, 선망 어구의 수중 형상이 어획에 영향을 많이 미친다고 알려져 있기 때문 에 선망의 수중형상에 대한 연구가 많이 진행되어 왔는 데, 모형어구를 만들어 수조에서 실험하여 수중형상을 관측한 연구 (Won, 2002) 뿐만 아니라, 죔줄 체결 중 선망어구의 용적과 장력변화를 계측한 연구 (Kim, 1999)도 찾아 볼 수 있다. 그러나 우리나라는 2000년대 초반까지 선망의 침강 저항 해석의 연구를 진행하였고 그 이후에는 선망의 어구와 어법에 대한 연구를 찾아보 기 힘들다. 다만 근래에 원양선망에서 어구구성과 관련 된 연구 (Ryu et al., 2015)와 나일론 무결절망지로 다양 한 고형률에 따른 저항계수를 도출한 연구 (Zhou et al., 2015)가 있다.

우리나라의 선망어업에 대한 연구는 양적인 부분과 지속성의 부분뿐만 아니라 선망어구에 대한 유체역학적 특성연구를 거의 찾아볼 수가 없다. 선망은 망지가 어구 의 대부분을 차지하기 때문에 망지의 특성이 중요함에 도 불구하고 우리나라 연구에서 선망의 망지에 대한 연 구를 찾아보기 힘들다는 것은 완성된 어구에 대한 수중 형상과 거동에 대한 연구의 결과에 대해 연구의 재현성 을 담보하기 어려울 수 있다는 우려를 가지게 한다. 망지 의 구성과 종류를 달리하면 수중에서의 어구의 형상과 거동이 달라질 개연성이 높기 때문이다.

수중에서 사용하는 모든 어구는 유체력의 작용을 받 기 때문에 어구의 규모와 규격 등을 결정하기 위해서 어구에 작용하는 유체력을 파악하여야 한다. 어구에 작 용하는 유체력은 항력과 양력으로 분류할 수 있는데, 이 두 힘은 어구면적을 산정하고 특정 요인에 따라 변화 하는 항력계수와 양력계수를 계산함으로써 도출이 가능 하다 (Kim, 1999). 망지의 유체역학적 특성인 항력계수 와 양력계수는 어구 성능을 평가하는데 있어서 매우 중 요한 요소로, 구조물에 작용하는 힘과 형상을 결정하는 형상 계수이며 영각, 레이놀즈수 및 망지 공극률에 따라 변한다. 이 연구에서는 대형선망어구에 사용되는 대부 분의 망지들의 항력 및 양력 계수를 도출하고 앞선 연구 들의 여러 망지와의 유체역학적 특성과 비교함으로써 이들 망지의 특성을 설명하고자 한다.

재료 및 방법

실험 망지

이 연구의 대상은 현재 대형선망에서 사용되고 있는 13개 종류의 무결절 망지 (PES, twist, JinYang Co., Korea)로 망목의 크기 30 mm인 망지가 6 종류, 40 mm 인 망지가 3 종류, 60 mm인 망지가 4 종류였다. 망지의 기하학적 특성을 구분하기 위해 망목의 크기뿐만 아니 라 그물발의 직경과 발의 길이를 측정하였고, 그물의 직경과 길이의 비를 계산하여 표시하였다. 이때, 망목의 크기는 내경을 측정하였고, 그물발의 직경을 정확하게 측정하기 위해 Thickness gage (Mitutoyo, 547-401)를 이용해 임의로 선택된 20개의 발에 대해 측정하여 평균 하였으며, 발의 길이는 Digital vernier calipers (Mitutoyo, CD-20PSX)를 이용해 임의로 선택된 10개의 발에 대해 측정하여 평균하였다. 측정한 망목의 구성은 Fig. 1과 같다. 실험을 위해서 측정된 망지들을 각각 사 각프레임 (600×600 mm, stainless steel, Ø 8)에 망목의 면적이 최대가 되는 성형률인 70.7%가 되도록 Fig. 2와 같이 부착하였다. 망지의 이름은 망목의 크기와 망지의 직경과 발의 길이의 비를 나타내는 d/l를 차례로 기술하 여 표현하였다. 예를 들어 망목이 30 mm이고, d/l 가 0.0534인 경우 30-0.053으로 나타내었다. 위의 방법에 의한 각 망지의 사양은 Table 1과 같다.

실험에 쓰인 망지 중 망목이 30mm인 망지는 선망어 구에서 여러 방향에서 힘이 가해지는 부분인 앞섶과 뒤 섶에 주로 쓰이고, 30-0.053과 30-0.090과 같이 직경이 작은 망지는 몸그물 부분에 쓰인다. 망목이 40 mm와 60 mm인 망지인 경우 직경이 2 mm인 망지는 뒤섶에 사용되고, 나머지는 주로 몸그물에 배치되고 있다.Fig. 3Fig. 4

실험 장치 및 방법

1.실험 장치

그물의 유체역학적 특성을 도출하기 위한 실험은 앞 선 연구들 (Song and Lee, 2009; Kim, 2012)과 같이 국립 수산과학원에 설치된 수직순환형 회류수조 (관측부 길 이 : 8.0 m, 폭 : 2.8 m, 수심 : 1.4 m)에서 행하였으며, 실험장치 및 계측 시스템의 구성은 Fig. 3과 같다.

유체의 흐름에 대한 망지의 항력과 양력을 측정하기 위해 육분력계 (DL-61026, 10 kgf, Gain, Cal 0.25 mV/V, Filter 100 Hz, Denshikogyo Co., Japan)를 사용하 였고, 망지가 흐름과 이루는 각도인 영각을 조정하기 위해 프레임의 수직축을 회전시키는 각도 제어기를 사 용하였다. 또한 실험 유속을 측정하는 프로펠러형 유속 계 (Kenek Co., VOT101A)를 사용하였으며, 육분력계와 유속계로부터 출력되는 아날로그 신호는 증폭기 (KENEK CO., VOT-230A)와 A/D 변환기 (NI Co., PCI-6034E)를 통해 DAQ 프로그램이 설치된 컴퓨터에 저장되도록 하였다.

2.실험 방법

실험 유속은 0.4 m/s에서 0.8 m/s까지 0.1 m/s 간격으 로 수행하였으나, 실험 오차가 발생한 0.6∼0.8 m/s를 제외하였다. 그물에 대한 유체의 입사영각은 각각의 유 속에 대해서 0∼90° 범위에서 10° 간격으로 실험하였 다. 모든 실험 케이스에 대한 계측값은 데이터 샘플링 시간을 20초, 주파수 200 Hz로 하여 수신한 총 4,000개 의 데이터를 평균하여 구하였다.

실험에 사용된 육분력계는 축이 회전하기 때문에 위 와 같이 측정된 항력과 양력을 그물에 입사하는 유체의 영각이 반영된 아래의 식으로 변환하였다.(1)(2)

여기서, F_x 와 F_y 는 각각 항력과 양력으로 단위는 kg, f_x 와 f_y는 육분력계로부터 측정된 항력과 양력으로 단 위는 voltage, θ 는 흐름과 망지가 이루는 영각으로 radian이다.

계측된 값에서 프레임의 영향을 제거하기 망지를 제 거한 빈 프레임에 대해 실험조건을 같이 하여 실험하고 망지를 부착하여 계측한 결과 값에서 그 값을 감하였다.

어구가 유체 중에서 운동을 하거나 운동 중인 유체 중에 놓이게 되면 유체로부터 저항력이 발생하게 되는 데, 이 때 유체에 발생하는 저항력은 관성력과 점성력의 합력이 된다. 여기서 어구의 운동 반대 방향으로 발생하 는 힘인 항력과 흐름에 수직으로 발생하는 힘인 양력으 로 분류할 수 있다.

유체의 압력과 점성력은 유체의 동압 (1/2) ρV² 에 비례하므로 항력과 양력도 (1/2) ρV² 에 비례하게 된다. 따라서 항력 (F_x)과 양력 (F_y)을 유체역학 이론에 따라 아래와 같이 나타낼 수 있다 (Kim, 1999).(3)(4)

여기서, C_d와 C_l 은 각각 항력계수와 양력계수이고, ρ는 물의 밀도 (103 kgw·s²/m⁴), S 는 투영면적 (m²), V 는 유속 (m/s)이다. 따라서 항력계수와 양력계수는 다음과 같이 도출된다.(5)(6)

또한 측정된 유체력을 이용하여 레이놀즈수를 고려한 유체역학적 계수를 도출하였다.

레이놀즈수 (Re)는 유체의 흐름을 설명하기 위한 지 표로서 점성력에 대한 유체 관성력의 비를 나타낸다 (Kim, 2012).(8)

여기서 ν는 동점성계수이고, D 는 물체의 대표치수로 그물의 경우에 주로 직경 d를 대표치수로 나타냈다.

식 (7)에서 각 유속별 레이놀즈수를 구하고 식 (9)와 (10)을 통해 유체역학적 계수를 추정할 수 있다.

결과 및 고찰

망지별 영각에 따른 유체역학적 계수

이 연구에서는 13가지 종류의 망지를 이용하여 영각 및 유속에 따른 항력계수와 양력계수를 도출하였고, 그에 따른 망지별 계수의 결과는 Fig. 5와 같다. Fig. 5는 유속 0.4 m/s와 0.5 m/s에서 영각에 따른 항력계수 와 양력계수를 나타내고 있다. 항력계수는 전 망지에서 영각이 0°에서 10°로 변화할 때 가장 큰 변화를 보이고, 영각이 90° 까지 증가함에 따라 계수 값도 증가하였다.

그러나 영각 60°에서 90° 범위에서는 그 증가폭이 감소하였다. 또한 유속이 0.4 m/s에서 0.5 m/s로 증가하 면 항력계수는 약간 감소하였다.

반면 양력계수는 영각 40°까지는 증가하다가 그 이 후 영각범위부터는 감소하는 모습을 보였고, 망지별로 값들의 차이는 조금씩 있으나 0.12∼0.34 범위였다.

망지의 d/l 변화에 따른 항력계수

망지의 고형률을 나타내는 망사의 직경과 길이의 비 율 (d/l)의 값이 커질수록 항력계수 또한 Fig. 6, 7과 같이 증가하는 것으로 나타났다.

Fig. 6은 유속 0.4 m/s일 때와 Fig. 7은 0.5 m/s일 때 d/l와 항력계수 C_d의 관계를 나타낸다. 이러한 경 향은 일반적인 그물의 저항계수 특성과 같은 것으로 Kumazawa et al. (2012), Dong et al. (2016)의 연구 결과와 일치한다.

회귀분석을 위해 SAS의 The REG Procedure을 사용 하였고 분석 파라메터와 결과는 Table. 2, 3와 같다. 분석결과에 의하면, R-Square 가 각각 0.5837와 0.7138 로 1에 가깝기 때문에 분석된 회귀모형이 d/l와 C_d의 관계를 잘 나타내고 있다고 볼 수 있다. 또한 유의확률 을 나타내는 P-value가 0.05보다 작은 0.0015와 0.0001 이기 때문에, d/l 증가에 따른 저항계수 C_d의 관계를 식 (11), (12)로 표현할 수 있다.

레이놀즈수와 항력계수

레이놀즈수에 따른 저항계수를 망지별로 Table 4에서 나타냈다. 레이놀즈수의 증가에 따라 항력계수는 각 망 지별로 평균 0.0091 정도로 감소하는 모습을 보였다.

동일한 레이놀즈수에서는 망지의 d/l가 클수록 항력 계수는 증가하였다. 항력계수와 양력계수, d/l와 레이놀 즈수의 상관관계를 알아보기 위해 SAS의 피어슨 상관 계수를 이용하였다.

C_d , C_l, d/l의 변수 중에서 d/l의 레이놀즈수와의 상 관계수가 유속 0.4 m/s와 0.5 m/s 모두 0.74520으로 가장 크게 나타났다. 레이놀즈수에 가장 크게 영향을 미치는 요인이 d/l이고, 이 상관관계 검정에 대한 유의수준은 0.0035이다 (Table 5, 6). Fig. 8과 9에 이러한 상관관계 를 3D 그래프로 나타냈다.Fig. 10

다른 결절 망지와 항력계수 비교

이 연구의 결과를 이전의 연구의 나일론재질의 무결 절 망지로 실험을 한 Park et al. (2013)의 결과와 다이니 마 재질의 결절 망지로 항력계수 도출 실험을 한 Kumazawa et al. (2012)의 0.4 m/s 유속일 때 결과와 비교하였다. Park et al. (2013)의 결과에서 C_d값이 1.5 이상으로 과도하게 측정된 데이터는 비교분석에서 제외 하였다. 이 실험의 결과는 Park et al. (2013)의 결과보다 약 1.2배 크고 Kumazawa et al. (2012)의 결과의 약 0.7 배이다. Park et al. (2013)의 실험은 같은 무결절 망지이 기 때문에 d/l가 같을 때 비슷한 항력계수를 갖고, Kumazawa et al. (2012)의 실험은 비슷한 d/l의 망지이 지만 결절 망지이고, 망목이 더 작았기 때문에 이 실험보 다 항력계수가 크게 나타났다. 이는 결절 망지가 무결절 망지보다 항력계수가 약 10% 정도 크다는 이전의 연구 결과 (Imai T, 1979)와 일치한다. 따라서 선망어구에서 무결절 망지를 사용하는 것은 어구에 작용하는 저항을 줄이는 측면에서 이점이 있어 조업효율을 향상시킬 수 있고, 선박에 적재 시 어구 전체의 부피를 줄이는 데 도움이 되어 항해 중의 유류비 절감에 도움이 될 것으로 판단된다.

이 연구를 통해 선망어구에 사용되는 다양한 망지의 항력, 양력계수를 도출하였고, 도출된 계수의 정확성을 검증하기 위해 앞선 연구들과 비교하였다. 도출된 계수 및 망지의 유체역학적 특성은 앞으로 어구를 개선하거 나 어구의 형상을 예측 (Kim et al., 2007)할 때 사용될 수 있을 것으로 기대된다.

이 연구에서는 선망에 사용되는 각 망지들에 대해서 만 유체역학적 특성을 분석하였다. 선망은 앞에서 서술 한 바와 같이 다양한 망지들이 어구에 사용되고 있기 때문에 이들 그물감이 상호작용하는 경우의 특성변화에 대한 연구도 필요할 것으로 판단된다.

결 론

현재 선망어구에 사용되는 PES 재질 무결절 망지의 유체역학적 특성을 분석하기 위해 회류수조 저항실험을 수행하여 망지의 항력계수와 양력계수를 도출하였으며, 그 결과는 다음과 같다.

항력계수는 직경 (d)이 작을수록, 망목이 클수록 그 값이 작았고, 각 망지별로 영각이 0°에서 90°까지 변화 할수록 증가하였다. 양력계수는 영각 40°까지는 증가하 다가 그 이후 영각범위부터는 감소하였다.

망지의 고형률을 나타내는 망사의 직경 대 길이의 비 율 (d/l)과 항력계수 (C_d)는 유속 0.4 m/s일 때 C_d = 3.71499(d/l) + 0.76595, 유속 0.5 m/s일 때 C_d = 4.30324 (d/l) + 0.69056 이었다. d/l가 커질수록 항력계수 (C_d ) 또한 증가하는 경향은 이전의 연구들과 일치했다.

d/l는 레이놀즈수와 피어슨 상관계수가 가장 높게 분 석되었다. 이는 유체에서 d/l가 망지에 작용하는 관성력 과 점성력에 가장 큰 영향을 주기 때문이라고 판단된다.

항력계수는 비슷한 d/l를 갖는 나일론 재질의 무결절 망지의 저항계수 결과 (Park et al., 2013)와 비슷하고, 다이니마 재질의 결절 망지 연구 (Kumazawa et al., 2012)의 항력계수보다 작았다.